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基于CFD与PIV的水力机械交互式实验台的设计研究

作　者: 栗鸿飞
导　师: 宋文武
学　校: 西华大学
专　业: 流体机械及工程
关键词: 轴流泵 PIV 数值模拟实验台
分类号: TK730.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

轴流泵具有流量大、扬程低的特点,广泛地用于农业排灌、城市供水等领域。提高轴流泵效率,对国民经济发展和节约能源有着重要的意义。实验研究和数值模拟是研究轴流泵内部流动的有效手段,能够在经济性和真实性方面得到互补。但是,目前的研究大多数都集中在应用实验研究结论来验证数值模拟的真实性,在对两种实验方法的互补修正方面所做工作较少。本文基于上述考虑,提出了一种基于PIV及CFD技术的水力机械实验台设计方案,能够起到模拟研究与实验方法的实时互补。并以轴流泵为例,对其叶轮和流道的三维造型、内部流场数值计算展开了研究。本文的主要研究工作及取得的成果如下:1、综述国内外轴流泵研究现状并提出基于PIV及CFD技术的水力机械内部流场测试系统交互式实验台方案;2、通过三维造型软件UG完成了模型轴流泵的三维造型,应用计算流体动力学前处理工具Gambit对其内部流动区域进行非结构化网格划分;3、在流场求解的过程中,本文采用基于雷诺时均方程和k-ε双方程的湍流模型,对N-S方程用有限体积法进行离散,对轴流泵内部流场进行数值模拟;4、分析、处理数值计算结果,得出叶轮出口流场呈螺旋形向外运动趋势和空化空蚀易发生区域指导下步PIV与CFD交互实验的进行。由于实验经费的限制,本文只提出了设计方案,并没有做具体的实验测试,将在以后的研究工作中完成。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-14
  1.1 引言  8
  1.2 国内外研究现状  8-13
    1.2.1 数值模拟  9-10
    1.2.2 实验研究  10-13
  1.3 本文的主要工作  13-14
2 基于CFD 与PIV 的水力机械交互式实验台设计  14-28
  2.1 常规的水力机械（水泵）性能与内部流动实验研究  14
  2.2 基于CFD 与PIV 的水力机械交互式实验台系统的设计  14-20
    2.2.1 交互式实验系统的设计思想  14-16
    2.2.2 PIV 测速原理  16-17
    2.2.3 示踪粒子的选择  17-19
    2.2.4 实验数据的采集和分析计算  19
    2.2.5 PIV 测试系统设计  19-20
  2.3 实验段和装置的设计  20-25
    2.3.1 实验段的设计  20-21
    2.3.2 流量计的选择  21-24
    2.3.3 实验参数测量  24-25
  2.4 误差分析  25-28
    2.4.1 PIV 系统误差  25-26
    2.4.2 粒子跟随性导致的误差  26
    2.4.3 光折射导致的误差  26-27
    2.4.4 流体中气泡的影响  27-28
3 轴流泵内部流动的CFD 模拟计算  28-38
  3.1 轴流泵CFD 模拟计算  28-29
  3.2 轴流泵内部流动控制方程  29-30
    3.2.1 连续方程  29
    3.2.2 动量方程  29-30
  3.3 轴流泵CFD 计算模型  30-35
    3.3.1 湍流模型  30-34
    3.3.2 壁面函数法  34-35
  3.4 轴流泵数值计算方法  35-38
    3.4.1 数值离散方法  35
    3.4.2 流场的求解方法  35-38
4 轴流泵计算模型建立及网格划分  38-55
  4.1 轴流泵三维造型  38-42
    4.1.1 轴流泵叶片建模  38-40
    4.1.2 轴流泵叶轮建模  40-42
  4.2 轴流泵模型网格划分  42-46
    4.2.1 网格生成技术基础  42-43
    4.2.2 计算模型的网格划分  43-46
    4.2.3 网格质量检查  46
  4.3 边界条件及参数设置  46-47
  4.4 轴流泵模型计算求解  47-52
    4.4.1 叶片表面的速度分布  47-48
    4.4.2 叶片表面的压力分布  48-49
    4.4.3 轮缘壁面的压力分布  49-52
  4.5 CFD 计算结果的存储  52-55
5 PIV 测试成果与CFD 模拟交互  55-58
  5.1 利用PIV 测试轴流泵内部流动  55
  5.2 具体成果实例  55-58
6 结论与建议  58-59
  6.1 结论  58
  6.2 建议  58-59
参考文献  59-62
攻读硕士学位期间发表的学术论文  62-63
致谢  63-64

基于CFD与PIV的水力机械交互式实验台的设计研究

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